JP5910482B2 - Optical fiber vibration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、サニャック干渉系を構成した光ファイバ振動センサに関する。 The present invention relates to an optical fiber vibration sensor constituting a Sagnac interference system.
空港、港湾、発電所などの重要施設や、人が集まる公共施設や無人発電所等では、敷地の外周に設置されるフェンス等に不審な侵入者を検知する目的で侵入検知センサが設けられている。従来、その侵入検知センサとして光ファイバを用いた光ファイバ振動センサが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In important facilities such as airports, harbors, power plants, public facilities and unmanned power plants where people gather, intrusion detection sensors are installed on fences installed around the site to detect suspicious intruders. Yes. Conventionally, an optical fiber vibration sensor using an optical fiber as the intrusion detection sensor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この光ファイバ振動センサは、光源、受光器、第1のカプラ(光接続部)、偏光子、第2のカプラ(光接続部)及びこれらを接続する接続用光ファイバ、並びに信号処理ユニットが収納された振動センサ本体部と、振動センサ本体部に接続されて光閉回路を形成する光ファイバループと、振動センサ本体部と光ファイバループと接続する2つの光コネクタとを備え、光ファイバループに互いに逆回りの光信号を伝送させて周回した両光信号を干渉させ、その干渉光の強度変化を測定することで光ファイバループに加えられた物理的外乱(振動)を検出する、サニャック干渉系を構成するセンサである。 This optical fiber vibration sensor accommodates a light source, a light receiver, a first coupler (optical connection part), a polarizer, a second coupler (optical connection part), an optical fiber for connecting them, and a signal processing unit. A vibration sensor main body, an optical fiber loop connected to the vibration sensor main body to form a closed optical circuit, and two optical connectors connected to the vibration sensor main body and the optical fiber loop. A Sagnac interference system that detects the physical disturbance (vibration) applied to the optical fiber loop by transmitting the opposite optical signals to interfere with each other and circulating the optical signals and measuring the intensity change of the interference light. It is a sensor which constitutes.
しかし、従来の光ファイバ振動センサでは、光信号の経路を相反なものとするため、2つの光接続部を用いているが、受光素子に伝送される戻り光信号の出力は、入射する光信号に対して光接続部を2つ経由するため、光信号の出力が受光素子に伝送されるまでに光接続部の分岐損失により大きく減衰してしまう。 However, in the conventional optical fiber vibration sensor, two optical connection parts are used to make the optical signal paths incompatible with each other. However, the output of the return optical signal transmitted to the light receiving element is the incident optical signal. On the other hand, since two optical connection portions are routed, the optical signal output is greatly attenuated by the branch loss of the optical connection portion before the output of the optical signal is transmitted to the light receiving element.
したがって、本発明の目的は、光信号の分岐損失を低減させるとともに、相反な光学系による高精度な振動測定が可能な光ファイバ振動センサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical fiber vibration sensor capable of reducing branch loss of an optical signal and capable of highly accurate vibration measurement by a reciprocal optical system.
[1]導入用信号を出力するとともに、出力した前記導入用光信号の戻り光信号を透過させて自己結合効果により増幅した検出用光信号を出力する発光素子と、
前記発光素子が出力する前記検出用光信号を受光し、この検出用信号を電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記発光素子が出力する前記導入用光信号を1対の光信号に分岐するとともに、帰還した1対の光信号同士を干渉させてそれを前記戻り光信号として前記発光素子側に出力する光接続部と、
前記光接続部で分岐された前記1対の光信号を互いに異なる回転方向に導入し、前記光接続部に帰還させる光ファイバループと、
前記受光素子が出力した前記電気信号に基づいて前記光ファイバループの振動を検出する検出部と、
を備えた光ファイバ振動センサ。
[2]前記光接続部は、前記発光素子が出力した前記導入用光信号を透過による第1の光信号と、結合による第2の光信号とに分岐し、前記光ファイバループから帰還した結合による前記第1の光信号と前記光ファイバループから帰還した透過による前記第2の光信号とを干渉させて前記戻り光信号として前記発光素子側に出力する、
前記[1]に記載の光ファイバ振動センサ。
[3]前記検出部は、前記受光素子が出力した前記電気信号から得られた前記第1及び第2の光信号の位相差に基づいて前記光ファイバループの振動を検出する、
前記[2]に記載の光ファイバ振動センサ。
[4]前記光接続部により分岐された前記第1及び第2の光信号の位相を変調させる位相変調部を、更に備えた
前記[2]又は[3]に記載の光ファイバ振動センサ。
[5]前記光接続部により分岐された前記第1又は第2の光信号を遅延させ、前記第1及び第2の光信号が前記光ファイバループに到達する時間差を生じさせる光ファイバコイルを、更に備えた
[2]から[4]のいずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
[6]前記発光素子は、偏光特性を有する前記光信号を出力する、
[1]から[5]のいずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
[1] A light emitting element that outputs an introduction signal and outputs a detection optical signal that is amplified by a self-coupling effect by transmitting a return optical signal of the introduced introduction optical signal;
A light receiving element that receives the detection optical signal output from the light emitting element, converts the detection signal into an electrical signal, and outputs the electrical signal;
An optical connection for branching the introduction optical signal output from the light emitting element into a pair of optical signals and causing the pair of returned optical signals to interfere with each other and outputting them as the return optical signal to the light emitting element side And
An optical fiber loop that introduces the pair of optical signals branched at the optical connection portion in different rotation directions and feeds back to the optical connection portion;
A detection unit for detecting vibration of the optical fiber loop based on the electrical signal output by the light receiving element;
An optical fiber vibration sensor.
[2] The optical connection unit branches the introduction optical signal output from the light emitting element into a first optical signal by transmission and a second optical signal by coupling, and is fed back from the optical fiber loop. The first optical signal by and the second optical signal by transmission fed back from the optical fiber loop interfere with each other and output to the light emitting element side as the return optical signal.
The optical fiber vibration sensor according to [1].
[3] The detection unit detects vibration of the optical fiber loop based on a phase difference between the first and second optical signals obtained from the electrical signal output from the light receiving element.
The optical fiber vibration sensor according to [2].
[4] The optical fiber vibration sensor according to [2] or [3], further including a phase modulation unit that modulates phases of the first and second optical signals branched by the optical connection unit.
[5] An optical fiber coil that delays the first or second optical signal branched by the optical connection unit and causes a time difference for the first and second optical signals to reach the optical fiber loop, The optical fiber vibration sensor according to any one of [2] to [4], further provided.
[6] The light emitting element outputs the optical signal having polarization characteristics.
The optical fiber vibration sensor according to any one of [1] to [5].
本発明によれば、光信号の分岐損失を低減させるとともに、相反な光学系による高精度な振動測定が可能になる。 According to the present invention, it is possible to reduce the branch loss of an optical signal and to perform highly accurate vibration measurement using a reciprocal optical system.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, about the component which has the substantially same function, the same code | symbol is attached | subjected and the duplicate description is abbreviate | omitted.
[実施の形態の要約]
本実施の形態の光ファイバ振動センサは、光ファイバループの振動を検出するサニャック干渉型の光ファイバ振動センサにおいて、導入用光信号を出力するとともに、出力した前記光信号の戻り光信号を自己結合効果により増幅した検出用光信号を出力する発光素子と、前記発光素子が出力する前記検出用光信号を電気信号に変換して出力する受光素子と、前記発光素子から出力された前記導入用光信号を1対の光信号に分岐するとともに、帰還した1対の光信号同士を干渉させてそれを前記戻り光信号として前記発光素子側に出力する光接続部と、前記光接続部で分岐された前記1対の光信号を互いに異なる回転方向に導入し、前記光接続部に帰還させる光ファイバループと、前記受光素子が出力した前記電気信号に基づいて前記光ファイバループの振動を検出する検出部とを備える。
[Summary of embodiment]
The optical fiber vibration sensor of this embodiment is a Sagnac interference type optical fiber vibration sensor that detects vibration of an optical fiber loop, and outputs an introduction optical signal and self-couples a return optical signal of the output optical signal. A light emitting element that outputs a detection optical signal amplified by the effect, a light receiving element that converts the detection optical signal output from the light emitting element into an electrical signal, and outputs the light, and the introduction light output from the light emitting element A signal is split into a pair of optical signals, and a pair of optical signals that have been fed back are interfered with each other and output to the light emitting element side as the return optical signal, and the optical connection unit branches An optical fiber loop that introduces the pair of optical signals in different rotational directions and feeds them back to the optical connection portion, and the optical fiber based on the electrical signal output from the light receiving element. And a detecting section for detecting a vibration of the loop.
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの構成例を示す図である。この光ファイバ振動センサ1は、図1に示すように、振動センサ本体部2と、光ファイバがループ状に形成された光ファイバループ3とを備えるサニャック干渉型の光ファイバ振動センサである。
[Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical fiber vibration sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical fiber vibration sensor 1 is a Sagnac interference type optical fiber vibration sensor including a vibration sensor main body 2 and an
(振動センサ本体部)
振動センサ本体部2は、光信号S1の発光及びその戻り光信号S2の受光を行う発光受光部21と、発光受光部21から出力された光信号S1を1対の光信号S11、S12に分岐する光カプラ22と、光カプラ22により分岐された光信号S11、S12を遅延させる光ファイバコイル23と、光信号S11、S12の位相を変調する位相変調器24と、1対の光信号S11、S12間の位相差に基づいて光ファイバループ3の振動を検出し、発光受光部21及び位相変調器24を制御する信号処理部25と、光ファイバループ3と振動センサ本体部2とを接続する光コネクタ26と、光信号S1、S11、S12、及び戻り光信号S2の経路となる光ファイバ200a、200b、200cとを備える。なお、光カプラ22は、光接続部の一例である。また、光信号S1は、導入用光信号の一例であり、光信号S11は、第1の光信号の一例であり、光信号S12は、第2の光信号の一例である。また、位相変調器24は、位相変調部の一例であり、信号処理部25は、検出部としての機能を有する。
(Vibration sensor body)
The vibration sensor main body 2 emits the optical signal S 1 and receives the return optical signal S 2 , and the light signal S 1 output from the light emitting /
(発光受光部)
発光受光部21は、信号処理部25から信号線201を介して出力される電流に基づいて偏光特性を有する光信号S1を出力するとともに、光信号S1の戻り光信号S2を透過させて自己結合効果により増幅した光信号S2aを背面側に出力する発光素子211と、発光素子211の背面側に設けられ、発光素子211が出力する光信号S2aを電気信号に変換し、信号線201を介して信号処理部25に出力する受光素子212と、発光素子211から出力された光信号S1を光ファイバ200aに集光して光結合させるレンズ213とを備える。なお、光信号S2aは、検出用光信号の一例である。
(Light emitting / receiving part)
The light emitting / receiving
発光素子211は、光信号を出力する半導体レーザであり、例えばコンパクトディスクプレイヤー等で使用される低コストなマルチモード半導体レーザであるCD−LD(Laser Diode for Compact Disc Player)が用いられる。受光素子212には、例えばフォトダイオードが用いられる。
The
レンズ213は、発光素子211の表面側に設けられ、光信号S1を光ファイバ200aと光結合させ、光カプラ22から出力された戻り光信号S2を発光素子211に平行に伝播させる。レンズ213は、例えば、アクリル系、エポキシ系等の樹脂、石英ガラス等を用いることができる。
The
発光素子211が有する自己結合効果は、半導体レーザの活性層で生じる干渉、増幅現象に起因するものであり、高い波長選択性がある。そのため、発光素子211は、出力した光信号S1と同じ波長を有する戻り光信号S2のみを自己結合効果により増幅して背面側の受光素子212に出力する。自己結合効果を有する発光素子211及び受光素子212を備えた発光受光部21は、半導体レーザのパッケージと、レンズ213のみで発光受光部21を構成することが可能である。この半導体レーザのパッケージを用いることで振動センサ本体部2の光学部品を省くことができ、さらに振動センサ本体部2の組立工程を簡略化することが可能になる。また、戻り光信号S2を選択的に増幅することが可能になることから、微小な光信号でも高精度に検出することが可能になる。
The self-coupling effect of the
(光ファイバ)
発光受光部21、光カプラ22、光ファイバコイル23、位相変調器24及び光コネクタ26間を接続する光ファイバ200a、200b、200cは、後述する図5(a)、図5(b)に示す偏波面保存ファイバを用いることが好ましい。
(Optical fiber)
(光カプラ)
図2(a)は、光信号を分岐する際の光信号の伝送を示す模式図、図2(b)は、光信号を干渉させる際の光信号の伝送を示す模式図である。光カプラ22は、発光素子211から光ファイバ200aを介して出力された光信号S1を1対の光信号S11、S12に分岐し、1対の光ファイバ200b、200c及び光コネクタ26を介して光ファイバループ3から帰還した1対の光信号S11、S12を干渉させた戻り光信号S2を発光素子211側に出力する。
(Optical coupler)
FIG. 2A is a schematic diagram illustrating transmission of an optical signal when the optical signal is branched, and FIG. 2B is a schematic diagram illustrating transmission of the optical signal when the optical signal is interfered. The
すなわち、光カプラ22は、図2(a)に示すように、発光素子211から出力された光信号S1を透過による光信号S11と、結合による光信号S12に分岐する。光カプラ22は、図2(b)に示すように、光ファイバループ3から帰還した結合による光信号S11と、透過による光信号S12を干渉させて戻り光信号S2を発光素子211側に出力する。
That is, the
光カプラ22により分岐及び干渉される1対の光信号S11、S12は、透過と結合を1回ずつ経た後に戻り光信号S2として発光素子211側に出力される。そのため、光信号S11、S12が出力される経路は相反なものとなる。
The pair of optical signals S 11 and S 12 branched and interfered by the
(光ファイバコイル)
光ファイバコイル23は、図1に示すように、一端が光ファイバ200bにより光カプラ22に接続され、他端が光ファイバ200b及び光コネクタ26を介して光ファイバループ3に接続される。光ファイバコイル23は、光ファイバループ3の全長とほぼ同じ長さの光ファイバを備え、光ファイバループ3の振動を検出する感度を光ファイバループ3の長さ方向で一定にする。
(Optical fiber coil)
As shown in FIG. 1, one end of the optical fiber coil 23 is connected to the
すなわち、光ファイバコイル23は、光カプラ22により分岐された光信号S11又は光信号S12を遅延させ、光信号S11、S12が光ファイバループ3に到達する時間差を生じさせることにより、光ファイバループ3の長さ方向において振動を検出する感度を一定にする。
That is, the optical fiber coil 23 delays the optical signal S 11 or the optical signal S 12 branched by the
(位相変調器)
位相変調器24は、円筒型のピエゾセラミックと、ピエゾセラミックに巻きつけられた光ファイバとを備える。位相変調器24は、一端が光ファイバ200cにより光カプラ22に接続され、他端が光ファイバ200c及び光コネクタ26を介して光ファイバループ3に接続され、信号線201を介して信号処理部25に接続される。ピエゾセラミックには、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が用いられる。
(Phase modulator)
The phase modulator 24 includes a cylindrical piezoceramic and an optical fiber wound around the piezoceramic. One end of the phase modulator 24 is connected to the
位相変調器24は、信号処理部25から、例えばピエゾセラミックの共振周波数である位相変調周波数22kHzの正弦波電圧が供給されると、正弦波電圧によってピエゾセラミックが振動し、この振動によりピエゾセラミックに巻きつけられた光ファイバが伸縮することで光信号S11、S12の位相を変調する。
For example, when a sine wave voltage having a phase modulation frequency of 22 kHz, which is a resonance frequency of the piezo ceramic, is supplied from the
位相変調器24で光信号S11、S12の位相を変調することにより、変調された光信号S11、S12が光カプラ22に到達する時間差が生じて光信号S11、S12間の位相差が誘起され、この位相差に基づく戻り信号S2が受光素子212によって受光される。
By modulating the phases of the optical signals S 11 and S 12 by the phase modulator 24, a time difference for the modulated optical signals S 11 and S 12 to reach the
(信号処理部)
図3は、信号処理部の回路の一例を示すブロック図である。信号処理部25は、受光素子212から出力された電気信号の直流成分を除去して交流成分を通過させるトランスインピーダンス回路251と、トランスインピーダンス回路251を通過した電気信号の交流成分を増幅するプリアンプ252と、プリアンプ252から出力された電気信号に基づいて発光素子211の出力制御を行う制御回路254と、制御回路254が行う出力制御に基づいて発光素子211に電流を供給する駆動回路255と、プリアンプ252で増幅された電気信号が有する予め定められた複数の周波数の検波を行うロックインアンプ253と、ロックインアンプ253が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路257と、変換されたデジタル信号に基づいて光信号S2aの位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力比を算出して光ファイバループ3の振動を検出するCPU(Central Processing Unit)256とを備える。
(Signal processing part)
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a circuit of the signal processing unit. The
トランスインピーダンス回路251は、一端が信号線201を介して受光素子212に電気的に接続され、他端がプリアンプ252に電気的に接続されている。トランスインピーダンス回路251は、コンデンサC1と抵抗器R1とを備え、抵抗器R1の一端が基準電位に接続されたRC回路を構成する。
One end of the transimpedance circuit 251 is electrically connected to the
トランスインピーダンス回路251は、受光素子212から出力された電気信号に含まれる直流成分を除去した交流成分をプリアンプ252に出力することにより、プリアンプ252の出力が飽和することを防止する。
The transimpedance circuit 251 prevents the output of the preamplifier 252 from being saturated by outputting an alternating current component from which the direct current component included in the electrical signal output from the
プリアンプ252は、一端がトランスインピーダンス回路251に電気的に接続され、他端がロックインアンプ253及び制御回路254に電気的に接続されている。プリアンプ252は、増幅した電気信号をロックインアンプ253及び制御回路254に出力する。 The preamplifier 252 has one end electrically connected to the transimpedance circuit 251 and the other end electrically connected to the lock-in amplifier 253 and the control circuit 254. The preamplifier 252 outputs the amplified electrical signal to the lock-in amplifier 253 and the control circuit 254.
制御回路254は、一端がプリアンプ252に電気的に接続され、他端が駆動回路255に電気的に接続されている。制御回路254は、プリアンプ252から出力された位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力を全て積分し、積分した周波数成分の値(振幅値)が一定になるように発光素子211の供給電流を制御する。
The control circuit 254 has one end electrically connected to the preamplifier 252 and the other end electrically connected to the
例えば、制御回路254は、フェンス等の振動計測対象にセンサケーブル300を取り付けた状態で予め積分した周波数成分のリファレンス値を取得することによって、積分した周波数成分の値が一定になるように発光素子211への供給電流を制御する。すなわち、位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力をある一定の期間tにおいて全て積分し、積分した周波数成分の値をリファレンス値として図示しないメモリに記憶する。そして、制御回路254は、位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力を積分した周波数成分の振幅の値と、予め記憶したリファレンス値とが等しくなるように発光素子211への供給電流を制御する。なお、センサーケーブル300が取り付けられた状態でリファレンス値をメモリに記憶するのは、光ファイバループ3の敷設状況によってリファレンス値が変化するからである。
For example, the control circuit 254 acquires the reference value of the frequency component integrated in advance in a state where the sensor cable 300 is attached to a vibration measurement target such as a fence, so that the value of the integrated frequency component becomes constant. The supply current to 211 is controlled. That is, all the outputs of the phase modulation frequency component and its harmonic component are integrated over a certain period t, and the value of the integrated frequency component is stored in a memory (not shown) as a reference value. Then, the control circuit 254 controls the supply current to the
駆動回路255は、一端が制御回路254に電気的に接続され、他端が信号線201を介して発光素子211に電気的に接続されている。駆動回路255は、制御回路254の出力制御に基づいて発光素子211を駆動する。
One end of the
ロックインアンプ253は、一端がプリアンプ252に電気的に接続され、他端がA/D変換器257を介してCPU256に電気的に接続されている。ロックインアンプ253は、プリアンプ252で増幅された電気信号に含まれる周波数成分のうち、予め定められる複数の周波数成分を検波する。ロックインアンプ252は、その検波した複数の周波数成分の振幅に相当する信号を平滑及び増幅してA/D変換器257を介してCPU256に出力する。
The lock-in amplifier 253 has one end electrically connected to the preamplifier 252 and the other end electrically connected to the
CPU256は、ロックインアンプ252からA/D変換器257を介して信号を入力する。その信号は、複数の周波数成分として位相変調周波数成分及びその高調波成分(例えば、2次、4次成分)を含む。CPU256は、位相変調周波数成分の振幅値と高調波成分(例えば、2次成分)の振幅値の比を求め、その振幅値の比から光信号S11、S12の位相差を算出する。また、CPU256は、図示しないD/A変換器及び信号線201を介して位相変調器24に接続され、位相変調器24に電気信号を出力することにより位相変調器24のピエゾセラミックを振動させて光信号S11、S12の位相の変調を制御する。
The
(光ファイバループ)
図4は、センサケーブルの断面図である。図5(a)は、楕円ジャケット型PMFの断面図、図5(a)は、楕円コア型PMFの断面図である。
(Optical fiber loop)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the sensor cable. FIG. 5A is a cross-sectional view of an elliptical jacket type PMF, and FIG. 5A is a cross-sectional view of an elliptical core type PMF.
光ファイバループ3は、図1に示すように、1対の光信号S11、S12が導入されるセンサケーブル300を備え、光カプラ22で分岐された1対の光信号S11、S12が互いに異なる回転方向に光コネクタ26を介して導入される。光ファイバループ3は、導入した光信号S11、S12を光カプラ22に帰還させる。
As shown in FIG. 1, the
センサケーブル300は、図4に示すように、2心の光ファイバ301と、光ファイバ301を補強する補強繊維302と、光ファイバ301の曲げ、伸びを防止する補強部材303と、光ファイバ301、補強繊維302及び補強部材303を被覆する被覆部材304とを備える。 As shown in FIG. 4, the sensor cable 300 includes two optical fibers 301, a reinforcing fiber 302 that reinforces the optical fiber 301, a reinforcing member 303 that prevents the optical fiber 301 from being bent and stretched, an optical fiber 301, And a covering member 304 that covers the reinforcing fiber 302 and the reinforcing member 303.
センサケーブル300に用いられる光ファイバ301は、光信号の偏波の回転によって振動検出が不安定になることを防止するため、偏波面保存ファイバ(Polarization Maintaining Fiber : PMF)が用いられる。この偏波面保存ファイバには、図5(a)に示す楕円ジャケット型PMF、図5(b)に示す楕円コア型PMF等が用いられる。 The optical fiber 301 used for the sensor cable 300 is a polarization maintaining fiber (PMF) in order to prevent the vibration detection from becoming unstable due to the rotation of the polarization of the optical signal. As the polarization-preserving fiber, an elliptic jacket type PMF shown in FIG. 5A, an elliptic core type PMF shown in FIG. 5B, or the like is used.
楕円ジャケット型PMF301aは、図5(a)に示すように、コア310a、クラッド311a、楕円ジャケット312及びサポート313を備える。楕円ジャケット312は所望の複屈折が得られるようにコア310aに対して応力を付与する。楕円ジャケット型PMF301aは、伝送損失が低く、かつ高い偏波保持特性を有することから長距離の光ファイバ301を備えるセンサケーブル300に利用される。 As shown in FIG. 5A, the elliptical jacket type PMF 301a includes a core 310a, a clad 311a, an elliptical jacket 312 and a support 313. The elliptical jacket 312 applies stress to the core 310a so as to obtain a desired birefringence. The elliptic jacket type PMF 301a is used for the sensor cable 300 including the long-distance optical fiber 301 because it has low transmission loss and high polarization maintaining characteristics.
楕円コア型PMF301bは、図5(b)に示すように、断面形状を楕円形にしたコア310b及びクラッド311bを備える。楕円コア型PMF301bは、低コストであるが、長距離の特性に難があるため、比較的短距離のセンサケーブル300に利用される。 As shown in FIG. 5B, the elliptical core type PMF 301b includes a core 310b and a clad 311b having an elliptical cross-sectional shape. The elliptical core type PMF 301b is low in cost but has difficulty in long-distance characteristics, and thus is used for the sensor cable 300 having a relatively short distance.
(光ファイバ振動センサの設置例)
図6は、光ファイバ振動センサ1の設置例を示す図である。光ファイバ振動センサ1は、フェンス4の柱部41に振動センサ本体部2を収納した筺体20が取り付けられ、センサケーブル300をフェンス4の金網42等に固定されてフェンス4に設置される。光ファイバループ3を形成するセンサケーブル300は、両端部が筺体20に収納された振動センサ本体部2の光コネクタ26に接続される。
(Installation example of optical fiber vibration sensor)
FIG. 6 is a diagram illustrating an installation example of the optical fiber vibration sensor 1. In the optical fiber vibration sensor 1, the
(光ファイバ振動センサの動作)
以下、光ファイバ振動センサ1の動作の一例について説明する。
(Operation of optical fiber vibration sensor)
Hereinafter, an example of the operation of the optical fiber vibration sensor 1 will be described.
発光素子211は、信号処理部25から出力される電気信号に基づいて光信号S1を出力する。光信号S1は、光カプラ22に伝送され、光カプラ22によって透過による光信号S11と、結合による光信号S12に分岐される。
The
光カプラ22により分岐された1対の光信号S11、S12の一方の光信号S11は、光ファイバコイル23を経由して光ファイバループ3に入射し、もう一方の光信号S12は、位相変調器24により光信号S12の位相が変調されて光ファイバループ3に入射する。光信号S11、S12は、光ファイバループ3を互いに異なる回転方向に伝送する。
One of the optical signal S 11 of the optical signal S 11, S 12 of a pair split by the
光ファイバループ3に導入された1対の光信号S11、S12は、光ファイバループ3を周回し、光ファイバコイル23又は位相変調器24を経由して光カプラ22に帰還する。光カプラ22は、帰還した結合による光信号S11と帰還した透過による光信号S12とを干渉させた戻り光信号S2を発光素子211側に出力する。光ファイバループ3が振動した場合、光ファイバ301の伸縮により、光信号S11、S12間に位相差が生じる。
The pair of optical signals S 11 and S 12 introduced into the
発光素子211に出力された戻り光信号S2は、発光素子211を透過し、自己結合効果により増幅された光信号S2aとして発光素子211の背面側に設けられた受光素子212に出力される。
Emitting
受光素子212に出力された光信号S2aは、受光素子212により電気信号に変換され、信号処理部25に出力される。
The optical signal S 2a output to the
受光素子212から電気信号が信号処理部25に出力されると、電気信号は、まずトランスインピーダンス回路251によりその電気信号の直流成分が除去される。直流成分が除去された電気信号は、プリアンプ252により増幅されて制御回路254及びロックインアンプ253に出力される。
When an electrical signal is output from the
プリアンプ252から出力された一方の電気信号は、ロックインアンプ253で予め定められた複数の周波数成分が検波及び増幅されて出力され、A/D変換回路257を介してデジタル信号としてCPU256に出力される。
One electrical signal output from the preamplifier 252 is detected and amplified by a plurality of frequency components determined in advance by the lock-in amplifier 253, and is output to the
CPU256は、ロックインアンプ253からA/D変換器257を介して出力されたデジタル信号に基づいて位相変調周波数成分の振幅値と位相変調周波数成分の高調波成分の振幅値の比を求め、その振幅値の比から光信号S11、S12の位相を算出して光ファイバループ3の振動を検出する。
The
プリアンプ252から出力されたもう一方の電気信号は、制御回路254で電気信号の交流成分の電圧値が積分される。制御回路254は、位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力を全て積分し、積分した周波数成分の振幅が一定になるように発光素子211の供給電流を制御する。
The other electric signal output from the preamplifier 252 is integrated by the control circuit 254 with the voltage value of the AC component of the electric signal. The control circuit 254 integrates all the outputs of the phase modulation frequency component and its harmonic component, and controls the supply current of the
(実施の形態の効果)
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(ア)発光素子211が出力した光信号S1の戻り光信号S2を増幅した光信号S2aを発光素子211の背面側に設けた受光素子212で受光することで、光カプラ22を1つにした構成でも光信号S11、S12の経路を相反な光学系にすることができるので、透過と結合による光信号の位相差が少なくなり、高精度な振動測定が可能となる。
すなわち、光カプラを通過する光信号は、透過による光信号と、結合による光信号との間で90度の位相差が生じるが、本実施の形態のように光信号S11、S12が透過と結合をそれぞれ1回ずつ経て伝送される相反な光学系にすることで、透過及び結合による位相差の影響を少なくすることができる。
(イ)光カプラ22を1つにすることにより、戻り光信号S2の分岐損失を低減することができるので、光カプラ22を2つ備える構成と比較して、戻り光信号S2の出力の減衰量を約半分に低減することができる。さらに、光ファイバ振動センサ1の部品点数を減らして振動センサ本体部2の組立等の工程を簡略化することができる。
(ウ)信号処理部25が光信号S11、S12間の位相差に基づいて光ファイバループ3の振動を検出することにより、プリアンプ252の増幅率や位相変調器24の変調効率の影響を少なくすることができるので、光ファイバループ3の高精度な振動検出が可能になる。
(エ)光ファイバループ3の一端に光ファイバコイル23を設けることにより、光ファイバループ3の振動を検出する感度を調整することができるので、光ファイバループ3の正確な振動検出が可能になる。
(オ)位相変調器24を設けて光信号S11、S12の位相を変調することで、光信号S11、S12間の位相差を誘起することができ、これにより光ファイバループ3の振動による小さな位相差に対する振動を検出する感度を高めることができる。
(カ)発光素子211が偏光特性を有する光信号S1を出力するため、従来の光ファイバ振動センサに用いられる偏光子を必要としない構成とすることができるので、光ファイバ振動センサ1の部品点数を削減することが可能になる。
(キ)受光素子212が出力した電気信号に含まれる位相変調周波数成分及びその高調波成分の出力を全てを制御回路254で積分し、制御回路254が発光素子211の出力を制御することにより、受光素子212に入射する戻り光信号S2の出力レベルを一定に維持することができるので、光ファイバループ3の振動検出感度を維持することが可能になる。
(Effect of embodiment)
According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(A) By receiving the optical signal S 2a obtained by amplifying the return optical signal S 2 of the optical signal S 1 output from the
That is, the optical signal passing through the optical coupler has a phase difference of 90 degrees between the optical signal due to transmission and the optical signal due to coupling, but the optical signals S 11 and S 12 are transmitted as in the present embodiment. By using a reciprocal optical system in which the coupling is transmitted once each, the influence of the phase difference due to transmission and coupling can be reduced.
(A) Since the branching loss of the return optical signal S 2 can be reduced by using one
(C) The
(D) By providing the optical fiber coil 23 at one end of the
By modulating the phase of the optical signal S 11, S 12 provided (e) a phase modulator 24, it is possible to induce a phase difference between the optical signals S 11, S 12, thereby the
(F) Since the
(G) The control circuit 254 integrates all the output of the phase modulation frequency component and its harmonic component included in the electrical signal output from the
[変形例]
なお、本発明の実施の形態は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、発光素子211としてCD−LDが用いられると説明したが、SLD(Super Luminescent Diode)等の半導体発光素子を用いてもよい。
[Modification]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the CD-LD is used as the
また、偏光特性を有しない光信号を出力する発光素子を用いる場合には、光信号の経路に偏光子を挿入してもよい。 When a light emitting element that outputs an optical signal having no polarization characteristic is used, a polarizer may be inserted in the optical signal path.
また、1対の振動センサ本体部2、光ファイバループ3をフェンス4等に設置して振動検知の感度差によって振動箇所を特定できる構成としてもよい。また、フェンス4等に発報装置を設置する構成としてもよい。
Moreover, it is good also as a structure which can install a pair of vibration sensor main-body part 2 and the
また、本発明の要旨を変更しない範囲内で上記実施の形態の構成要素のうち一部を除くことも可能である。 Moreover, it is also possible to remove some of the constituent elements of the above-described embodiment within a range not changing the gist of the present invention.
本発明は、例えば侵入者検出用の振動センサ、地震、落石を検知する防災センサとして適用可能である。 The present invention can be applied as, for example, a vibration sensor for detecting an intruder, a disaster prevention sensor for detecting earthquakes, and falling rocks.
1 光ファイバ振動センサ
2 振動センサ本体部
3 光ファイバループ
4 フェンス
20 筺体
21 発光受光部
22 光カプラ
23 光ファイバコイル
24 位相変調器
25 信号処理部
26 光コネクタ
41 柱部
42 金網
200a、200b、200c 光ファイバ
201 信号線
211 発光素子
212 受光素子
213 レンズ
251 トランスインピーダンス回路
252 プリアンプ
253 ロックインアンプ
254 制御回路
255 駆動回路
256 CPU
300 センサケーブル
301 光ファイバ
302 補強繊維
303 補強部材
304 被覆部材
310a、310b コア
311a、311a クラッド
312 楕円ジャケット
313 サポート
301a 楕円ジャケット型PMF
301b 楕円コア型PMF
C1 コンデンサ
R1 抵抗器
S1、S11、S12、S2a 光信号
S2 戻り光信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber vibration sensor 2 Vibration sensor main-
300 Sensor cable 301 Optical fiber 302 Reinforcing fiber 303 Reinforcing member 304 Covering member 310a, 310b Core 311a, 311a Cladding 312 Elliptical jacket 313 Support 301a Elliptic jacket type PMF
301b Elliptical core type PMF
C 1 capacitor R 1 resistor S 1 , S 11 , S 12 , S 2a optical signal S 2 return optical signal
Claims (6)
前記発光素子が出力する前記検出用光信号を受光し、この検出用信号を電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記発光素子が出力する前記導入用光信号を1対の光信号に分岐するとともに、帰還した1対の光信号同士を干渉させてそれを前記戻り光信号として前記発光素子側に出力する光接続部と、
前記光接続部で分岐された前記1対の光信号を互いに異なる回転方向に導入し、前記光接続部に帰還させる光ファイバループと、
前記受光素子が出力した前記電気信号に基づいて前記光ファイバループの振動を検出する検出部と、
を備えた光ファイバ振動センサ。 A light-emitting element that outputs an introduction signal and outputs a detection optical signal that is amplified by a self-coupling effect by transmitting a return optical signal of the introduced introduction optical signal;
A light receiving element that receives the detection optical signal output from the light emitting element, converts the detection signal into an electrical signal, and outputs the electrical signal;
An optical connection for branching the introduction optical signal output from the light emitting element into a pair of optical signals and causing the pair of returned optical signals to interfere with each other and outputting them as the return optical signal to the light emitting element side And
An optical fiber loop that introduces the pair of optical signals branched at the optical connection portion in different rotation directions and feeds back to the optical connection portion;
A detection unit for detecting vibration of the optical fiber loop based on the electrical signal output by the light receiving element;
An optical fiber vibration sensor.
請求項1に記載の光ファイバ振動センサ。 The optical connecting portion branches the introduction optical signal output from the light emitting element into a first optical signal by transmission and a second optical signal by coupling, and the first by the coupling fed back from the optical fiber loop. 1 optical signal and the second optical signal due to transmission fed back from the optical fiber loop are interfered with each other and output to the light emitting element side as the return optical signal.
The optical fiber vibration sensor according to claim 1.
請求項2に記載の光ファイバ振動センサ。 The detection unit detects vibration of the optical fiber loop based on a phase difference between the first and second optical signals obtained from the electrical signal output from the light receiving element;
The optical fiber vibration sensor according to claim 2.
請求項2又は3に記載の光ファイバ振動センサ。 The optical fiber vibration sensor according to claim 2, further comprising a phase modulation unit that modulates a phase of the first and second optical signals branched by the optical connection unit.
更に備えた
請求項2から4のいずれか1項に記載の光ファイバ振動センサ。 An optical fiber coil that delays the first or second optical signal branched by the optical connecting unit and causes a time difference for the first and second optical signals to reach the optical fiber loop;
The optical fiber vibration sensor according to any one of claims 2 to 4, further comprising:
請求項1から5のいずれか1項に記載の光ファイバ振動センサ。 The light emitting element outputs the introduction optical signal having polarization characteristics.
The optical fiber vibration sensor according to any one of claims 1 to 5.
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